CN103318992A - 一种双阳极电絮凝除砷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双阳极电絮凝除砷方法，该方法采用原位处理的方式或者采用抽出处理的方式实施污染地下水的处理过程，使用双阳极和一个阴极对污染地下水进行电絮凝处理，对三个电极供直流电，调节总电流大小及其在两个阳极之间的分配比例，使砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ)、二价铁沉淀物氧化为三价铁沉淀物，以去除污染地下水中的砷，其中一个阳极为铁阳极，另一个阳极为惰性阳极。这种方法利用双阳极向地下水中供应溶解氧和二价铁，可以促进三价砷的氧化及其在铁沉淀物上的吸附去除，具有修复效率高、处理时间短、运行成本低、环境友好及灵活可控等优点。该方法将会在砷污染地下水处理领域产生极大的经济效益和社会效益，具有广阔的市场前景。

Description

一种双阳极电絮凝除砷方法

技术领域

本发明涉及一种对砷污染地下水的电化学处理方法，尤其是通过双阳极电絮凝技术除砷的方法，实现了对砷污染地下水的净化处理，属于地下水修复技术领域。

背景技术

砷污染地下水是全世界面临的共同难题，正威胁着至少22个国家和地区的5000多万人口，其中多数为亚洲国家，以孟加拉、印度和中国最为严重。地下水是饮用水的重要组成部分，我国约有70%的人口饮用地下水。按照WHO的标准，我国砷中毒危害区的暴露人口高达1500万之多。这对我国战略水源地水资源保护构成极大威胁，并直接影响居民饮水安全和经济发展。因此，开发砷污染地下水的高效经济的修复技术是非常必要和迫切的。

利用铁阳极溶解原位生成的铁沉淀物对砷的良好吸附性能，电絮凝技术处理含砷废水和地下水受到了国内外的广泛关注。电絮凝技术通常是采用一个铁阳极和一个阴极，铁阳极在电化学作用下溶解产生Fe²⁺，Fe²⁺在水溶液中水解生成Fe(OH)₂，在暴露空气条件下Fe(OH)₂被氧气部分或全部氧化为Fe(OH)₃，Fe(OH)₂和Fe(OH)₃絮状物逐渐生长并发生脱水或其他反应转化为其他形态的含铁材料，这些含铁沉淀物具有很大的比表面积和大量的表面活性点位，对砷的吸附性能优越，另外砷在铁沉淀物的生长过程中还可以通过共沉淀的方式被去除。

地下水一般具有较好的电导率（500-2000μS/），非常适合电化学技术的实施。但是与地表水不同的是，地下水是缺氧环境，存在着溶解氧供应困难的问题。溶解氧的缺乏会对电絮凝技术的实施造成以下阻碍：① 水体中的砷通常是以+3和+5两种价态存在，在氧化性水体如地表水中主要以砷 (Ⅴ)存在，而在缺氧的还原性水体如地下水中主要以砷(Ⅲ)形式存在，砷(Ⅲ)的毒性远远高于砷(Ⅴ)（60:1）。由于电絮凝技术只用了铁阳极和阴极这两个电极，无法实现对砷(Ⅲ)的氧化，因而吸附后的含有高毒性砷(Ⅲ)的铁泥依然存在安全处理与处置的问题，对环境仍有较大风险。② 地下水中溶解氧的缺乏使电絮凝中的铁产物主要停留在二价铁沉淀物阶段，其吸附效率远低于三价铁沉淀物，因而其对砷的吸附并未达到最佳效果，同时溶度积常数较高的Fe(OH)₂会使处理后的出水中含有一定浓度的Fe²⁺，造成环境风险。由此可见，砷(Ⅲ)的氧化和三价铁（氢）氧化物的形成是电絮凝技术应用于砷污染地下水处理亟待解决的问题。

向地下水中充入空气或者氧气可以解决上述问题，无论是在原位修复还是“抽提和处理”方式中，注入空气都存在经济性差或效果难以控制的问题。例如，在原位修复中向地下数十米注入空气的成本较高，而且注入量难以控制，有可能对地下水的赋存条件产生很大影响。而在抽出后处理的方式中，充入氧气的量难以控制的较好，而且充入的氧气气泡较大利用率低。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双阳极电絮凝除砷方法，该方法利用双阳极向地下水中供应溶解氧和二价铁，可以促进三价砷的氧化及其在铁沉淀物上的吸附去除，具有处理效率高、环境友好及灵活可控等优点。

实现本发明目的的技术方案为一种双阳极电絮凝除砷方法，采用原位处理的方式或者采用抽出处理的方式实施污染地下水的处理过程，使用双阳极和一个阴极对污染地下水进行电絮凝处理，对三个电极供直流电，调节总电流大小及其在两个阳极之间的分配比例，使砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ)、二价铁沉淀物氧化为三价铁沉淀物，以去除污染地下水中的砷，其中一个阳极为铁阳极，另一个阳极为惰性阳极。

该方法至少包括以下具体步骤：

①电极材料选择：阳极Ⅰ选用铁，阳极Ⅱ和阴极都选用稳定性好的电极材料；

②污染地下水的处理方式：采用原位处理的方式或者采用抽出处理的方式实施污染地下水的处理过程，采用原位处理方式时，先在砷污染含水层中打井，将三个电极插入到井中，阴极夹在两个阳极之间，相邻电极之间的距离为1~40cm；采用抽出处理方式时，将三个电极安装在一个反应器中，其中阴极夹在两个阳极之间，相邻电极之间的距离为1~40cm；

③砷的去除：将电源打开向三个电极供直流电，在处理中调节总电流大小及其在两个阳极之间的分配比例，以调整Fe²⁺和O₂的供应量，提高砷(Ⅲ)的氧化和吸附效果，降低电能消耗，使砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ)、二价铁沉淀物氧化为三价铁沉淀物，砷得到去除；总电流大小通过调节电源输出控制，阳极Ⅰ和阳极Ⅱ之间的电流分配比例控制在1:0～1:1之间，不含1:0，当处理中总砷浓度高于20μg/L时，提高总电流直至总砷浓度降低到20μg/L以下；当处理中三价砷在总砷中的比例大于20%时，在总电流保持不变的情况下提高阳极Ⅱ的电流，但阳极Ⅰ与阳极Ⅱ的电流分配比不超过1:1。

由上述技术方案可知，相比于传统电絮凝技术，本发明利用双阳极向地下水中供应溶解氧和二价铁，即向传统电絮凝技术中引入除铁阳极外的第二个惰性阳极，该惰性阳极可以使水电解产生及其微小的氧气气泡，氧气与铁阳极析出的二价铁发生反应生成三价铁沉淀物，同时生产·OH等强氧化性物质将砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ) 。另外，地下水中普遍存在的氯离子在惰性阳极上也可生成Cl₂，Cl₂进而转化为强化性次氯酸也能将砷(Ⅲ)氧化。双阳极的引入可极大地改善了电絮凝技术对砷的氧化和吸附性能，减少铁泥的产生量和出水Fe²⁺的含量。因此该阳极的加入可以显著促进As(Ⅲ)的氧化和吸附去除：① 惰性阳极使水电解产生的O₂与铁阳极析出的Fe²⁺发生反应生成·OH等强氧化性物质氧化砷(Ⅲ)；② 地下水中含量较高的Cl^-在惰性阳极上生成Cl₂进而产生的次氯酸根氧化砷(Ⅲ)；③电絮凝产生的二价铁（氢）氧化物在溶解氧的存在下转化为三价铁（氢）氧化物，极大地改善对砷的吸附性能。同时，由于本发明方法在运行过程中，可以根据处理效果的好坏灵活调节总电流大小以及两个阳极电流的分配比例，从而能调控三价铬铁沉淀物的产生量及形态，在保证处理效果的同时避免能量浪费。总之，该方法具有修复效率高、处理时间短、运行成本低、灵活可控等优点。该方法对于推动砷污染场地地下水污染治理的深入发展具有重要的理论意义和现实意义。本发明将会在砷污染地下水处理领域产生极大的经济效益和社会效益，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明方法采用原位修复砷（Ⅲ）污染地下水示意图。

图2为本发明方法采用抽出处理方式修复砷（Ⅲ）污染地下水示意图。

图3为单阳极电絮凝体系与采用本发明方法处理砷（Ⅲ）效果对比图。

图4阳极Ⅰ与阳极Ⅱ的电流分配比为1:1时总电流对砷（Ⅲ）氧化速率的影响图。

图5阳极Ⅰ与阳极Ⅱ的电流分配比为1:1时总电流对总砷吸附速率的影响图。

图中1、阳极Ⅰ；2、阴极；3、阳极Ⅱ；4、直流电源或太阳能电池；5、砷污染含水层；6、井；7、水泵；8、净化后出水。

具体实施方式

以下所有实施例中均通过太阳能电池或直流电源4向三个电极供直流电，阳极Ⅰ1和阳极Ⅱ3之间串联有变阻器用于调节阳极Ⅰ1和阳极Ⅱ3之间的电流分配比例。污染地下水的处理方式均采用原位处理的方式或者采用抽出处理的方式实施污染地下水的处理过程，采用原位处理方式时（如图1所示），先在砷污染含水层5中打井6，将三个电极插入到井6中，阴极2夹在两个阳极之间，相邻电极之间的距离为1~40cm，净化后出水8通过水泵7抽出；采用抽出处理方式时（如图2所示），用水泵7抽出的砷污染地下水装于反应器中，将三个电极安装在一个反应器中，其中阴极夹在两个阳极之间，相邻电极之间的距离为1~40cm。上述技术内容在下述实施例中不再重复描述。

实施例1

在密封反应器中模拟砷污染地下水区域，向反应器中加入750ml、含500μg/L砷（Ⅲ）的模拟地下水，并利用通氮除氧方式模拟地下水中的缺氧环境（初始溶解氧浓度为1mg/L左右）。向反应器中分别插入铁片（长*宽*高=58*50*2mm）、两个钛涂层电极（长*宽*高=58*50*2mm）充当阳极Ⅰ、阳极Ⅱ和阴极，其中阴极位于两个阳极之间，电极间距为4cm。使用导线将电极连接到稳压直流电源的两个输出端，调节电源控制总电流到20-100mA。阳极Ⅰ和阳极Ⅱ之间的电流分配比例通过与阳极Ⅰ串联的变阻器调节，分配比例根据地下水中的实际溶解氧含量控制在1:0-1:1之间，使砷污染地下水处理区域中的Fe²⁺与O₂的物质的量比值趋于2:1，使砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ)、二价铁沉淀物氧化为三价铁沉淀物，砷在吸附/共沉淀作用下得到高效去除。图3为单阳极电絮凝体系（铁阳极与钛涂层阴极，电流30mA)与本实施例(铁阳极Ⅰ，钛涂层阳极Ⅱ，钛涂层阴极，通过两个阳极的电流均为30mA)处理地下水中砷(Ⅲ)的效果对比图，从图中可明显看出，向体系中引入阳极Ⅱ可以显著增强砷(Ⅲ)的氧化效果和总砷的吸附去除效果。在具体处理过程中可根据砷的氧化和吸附效果适当调整总电流和分配比例，以调整Fe²⁺和O₂的供应量，改善提高砷(Ⅲ)的氧化和吸附效果，降低电能消耗。当处理中总砷浓度高于20μg/L时，提高总电流直至总砷浓度降低到20μg/L以下；当处理中三价砷在总砷中的比例大于20%时，在总电流保持不变的情况下提高阳极Ⅱ的电流，但阳极Ⅰ与阳极Ⅱ的电流分配比不超过1:1。

比对实施例

在密封反应器中加入750ml、含500μg/L砷（Ⅲ）的模拟地下水，并利用通氮除氧方式模拟地下水的缺氧环境（初始溶解氧浓度为1-2mg/L）。向反应器中插入铁片（长*宽*高=58*50*2mm）、两个钛涂层电极（长*宽*高=58*50*2mm）分别充当阳极Ⅰ、阳极Ⅱ和阴极，其中阴极位于两个阳极之间，电极间距为4cm。使用导线将电极连接到稳压直流电源的两个输出端，阳极Ⅰ和阳极Ⅱ之间的电流分配比例通过变阻器控制在1:1，改变总电流大小分别至20，60，100mA，砷（Ⅲ）的氧化效果和吸附效果分别如图4和图5所示。由图可见，砷（Ⅲ）的氧化速率与吸附速率随着总电流的增加而升高。

Claims (5)

1.一种双阳极电絮凝除砷方法，其特征在于：采用原位处理的方式或者采用抽出处理的方式实施污染地下水的处理过程，使用双阳极和一个阴极对污染地下水进行电絮凝处理，对三个电极供直流电，调节总电流大小及其在两个阳极之间的分配比例，使砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ)、二价铁沉淀物氧化为三价铁沉淀物，以去除污染地下水中的砷，其中一个阳极为铁阳极，另一个阳极为惰性阳极。

2.根据权利要求1所述双阳极电絮凝除砷方法，其特征在于至少包括以下具体步骤：

①电极材料选择：阳极Ⅰ选用铁，阳极Ⅱ和阴极都选用稳定性好的电极材料；

②污染地下水的处理方式：采用原位处理的方式或者采用抽出处理的方式实施污染地下水的处理过程，采用原位处理方式时，先在砷污染含水层中打井，将三个电极插入到井中，阴极夹在两个阳极之间，相邻电极之间的距离为1~40cm；采用抽出处理方式时，将三个电极安装在一个反应器中，其中阴极夹在两个阳极之间，相邻电极之间的距离为1~40cm；

③砷的去除：将电源打开向三个电极供直流电，在处理中调节总电流大小及其在两个阳极之间的分配比例，以调整Fe²⁺和O₂的供应量使砷污染地下水处理区域中的Fe²⁺与O₂的物质的量比值趋于2:1，提高砷(Ⅲ)的氧化和吸附效果，降低电能消耗，使砷(Ⅲ)氧化为砷(Ⅴ)、二价铁沉淀物氧化为三价铁沉淀物，砷得到去除；总电流大小通过调节电源输出控制，阳极1和阳极2之间的电流分配比例控制在1:0～1:1之间，不含1:0，当处理中总砷浓度高于20μg/L时，提高总电流直至总砷浓度降低到20μg/L以下；当处理中三价砷在总砷中的比例大于20%时，在总电流保持不变的情况下提高阳极Ⅱ的电流，但阳极Ⅰ与阳极Ⅱ的电流分配比不超过1:1。

3.根据权利要求2所述双阳极电絮凝除砷方法，其特征在于：步骤①中阳极Ⅱ和阴极为钛涂层电极或碳电极。

4.根据权利要求2所述双阳极电絮凝除砷方法，其特征在于：步骤③中通过太阳能电池或直流稳压电源向三个电极供直流电。

5.根据权利要求2所述双阳极电絮凝除砷方法，其特征在于：步骤③中阳极Ⅰ和阳极Ⅱ之间串联有变阻器用于调节阳极Ⅰ和阳极Ⅱ之间的电流分配比例。

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